Bonnes Pratiques d’Installation des Accéléromètres

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• INTRODUCTION
• Zones de déformation
• Faire attention dès la réception du capteur
• Les principaux critères de montage
• Serrage
• Assemblages
• Déformation de la structure
• D’autres critères à prendre encore en compte
• État de surface
• Utilisation de graisse
• Colle et bande adhésive
• Fixation magnétique
• Ne pas sous-estimer l’environnement du capteur
• Vide et variations de pression
• Échanges thermiques par conduction ou rayonnement
• Ne pas oublier l’étape de démontage
• Démontage d’un système vissé
• Démontage d’un système collé
• PCB Piezotronics et ses différentes marques
• CONCLUSION

INTRODUCTION

Comment être sûr que les accéléromètres sont bien montés sur la structure ? Faut-il privilégier un vissage ou un collage ? Ce sont quelques-unes des questions que vous devez vous poser en préambule de l’installation de vos capteurs et plus particulièrement de vos accéléromètres. Les conséquences d’un mauvais montage peuvent aller d’une simple mesure erronée jusqu’à la casse du capteur. Il est pourtant simple d’éviter ces problèmes en respectant certaines bonnes pratiques d’installation des accéléromètres

Zones de déformation

Les accéléromètres, microphones, capteurs de pression et de force de PCB Piezotronics, d’Endevco et de Larson Davis s’appuient principalement sur les technologies résistive, capacitive et piézoélectrique. Ces trois technologies mettent toutes en œuvre une déformation mécanique. Elle est liée au phénomène physique que l’on souhaite mesurer, et génèrent un signal qui est l’image du mesurande. Il est ainsi primordial de surveiller toute excitation mécanique, peu importe la cause pouvant impacter l’élément sensible du capteur. On distingue trois zones de déformation, issue d’une contrainte, pour un système mécanique de 1er ordre :

• Zone élastique : une fois la sollicitation mécanique appliquée puis relâchée, le système revient à son état initial sans aucun dommage. Il n’y a aucune autre conséquence, et ce sur toute la durée de vie du cycle mécanique ;
• Zone plastique : une fois la sollicitation mécanique appliquée puis relâchée, le système ne retrouve pas son état initial. Cette déformation permanente se traduit par un décalage du zéro et un changement irréversible des propriétés métrologiques ;
• Zone de rupture : si les déformations sont encore plus importantes, on arrive jusqu’à la casse du capteur. Casse qui n’est d’ailleurs pas forcément visible (micro-craquelures, par exemple).

En travaillant toujours dans la zone de déformation élastique du capteur, quelle que soit sa technologie, vous disposez des meilleures propriétés métrologiques et d’une durée de vie optimale.

Faire attention dès la réception du capteur

Tout commence dès la réception : le capteur est livré dans une boîte et protégé par de la mousse. Certains types de capteurs sont même à l’intérieur d’un tube de protection supplémentaire. PCB Piezotronics recommande, à chaque fois que vous manipulez un capteur, de respecter les précautions mentionnées. Comme de ne retirer les protections qu’au moment de l’installation du capteur sur la pièce. Cela est valable également lors du renvoi d’un capteur pour étalonnage ou réparation. L’élément sensible d’un capteur MEMS, résistif, capacitif ou piézoélectrique fonctionne à une fréquence de résonance donnée (système du 1er ordre). Tout choc direct sur le corps du capteur peut exciter l’élément sensible. L’impact lié à une simple chute sur une surface peut se transmettre à l’élément sensible. Il excite la résonance du capteur par un phénomène de type Dirac. Ce phénomène est variable en fonction de la dureté de la surface et de la manière dont le capteur la percute. La structure du capteur affiche ainsi une meilleure résistance vis-à-vis d’un choc transverse. Une bonne manipulation permet ainsi d’éviter qu’un capteur présente un problème lors de son montage.

Les bonnes pratiques d’installation des accéléromètres ont notamment pour objectif de garantir la meilleure transmission des vibrations de la structure au capteur. PCB Piezotronics recommande les points suivants :

Serrage

Dans le cas des accéléromètres, le vissage effectué selon les conditions de serrage spécifiées par PCB Piezotronics garantit la meilleure fonction de transfert d’une sollicitation, notamment en présence de vibrations ou de chocs.

• Si le couple de serrage est trop faible, le contact entre filets et leur raideur est réduit, d’où la modification de la résonance intrinsèque du capteur et de son comportement ;
• Si le couple de serrage est trop important, les lignes de force qui composent le capteur provoquent des déformations sur la base. Dans le cas d’un capteur fonctionnant en cisaillement, l’élément sensible subit alors un stress et le capteur délivre un signal avant même la moindre vibration ;
• Évolution de la sensibilité d’un accéléromètre 2221F en fonction du couple de serrage et de la présence de graisse (la courbe rose correspond aux spécifications du fabricant).

Assemblages

• Toute interface mécanique supplémentaire peut engendrer le risque de nouvelles fréquences de résonance à l’assemblage. Donc plus l’assemblage est simple, mieux c’est : un goujon simple ou deux vis et leur rondelle est le cas idéal.
• Dans le cas de l’ajout d’un bloc supplémentaire pour des raisons de praticité par exemple (montage à flexion additionnelle), si la sollicitation est verticale, les propriétés en flexion du goujon latéral seront différentes de celles au début et le comportement dynamique de l’ensemble risque de changer ;
• Les rondelles fournies avec les capteurs jouent un rôle important : constituées d’une matière plus molle que celle des vis ou du corps du capteur, elles assurent un meilleur appui lors de leur rotation et évitent, surtout, de se déformer et/ou de mater le corps du capteur ;
• Une aspérité ou toute autre défaut de la surface ayant sa propre raideur risque de mater le corps du capteur et, dans des cas extrêmes, la flexion de la surface de contact du capteur peut provoquer une fréquence de résonance spécifique ;

Déformation de la structure

• Le fait de rajouter un capteur sur une structure réduit la fréquence de résonance de l’ensemble selon l’équation mathématique faisant intervenir la masse du capteur. Dans le cas d’une structure raide et d’un capteur collé travaillant en compression, la déformation trop importante de la base générera un signal vu comme une erreur de mesure. En analyse modale, les déformations sont généralement importantes, une règle de bonne pratique définit que la masse du capteur doit représenter au maximum 10 % de la masse de la structure à instrumenter. Dans le cas de l’ajout d’un bloc supplémentaire pour des raisons de praticité par exemple (montage à flexion additionnelle), si la sollicitation est verticale, les propriétés en flexion du goujon latéral seront différentes de celles au début et le comportement dynamique de l’ensemble risque de changer ;

Utilisation de graisse

Elle joue un rôle important pour s’affranchir d’une éventuelle présence d’air au niveau des filetages ou autres espaces vides. Contrairement à l’air, la graisse, sélectionnée selon l’environnement et le risque de pollution (frein filet pour les vibrations à hautes fréquence, par exemple), est un composant incompressible qui garantit la qualité de contact et la résistance à une déformation mécanique nécessaires à la bonne transmission des vibrations – évolution de la sensibilité d’un accéléromètre 7704 avec filetage mâle, en fonction de la planéité et de la présence de graisse.

Colle et bande adhésive

Dans les deux cas, il faut une épaisseur uniforme et suffisante. Mais celle-ci ne doit être ni trop importante, ni trop faible non plus. L’excès de colle, surtout dans les applications de hautes températures, s’accompagne de l’apparition de fréquences de résonance supplémentaires propres au collage, d’une variation des propriétés dynamiques (effet ressort ou amortisseur). Cela a pour conséquence une dégradation de la fréquence de résonance de l’assemblage. À l’inverse, avec l’absence de colle ou un mauvais collage, des bulles d’air vont apparaître.

Fixation magnétique

Il faut un aimant fort pour que le capteur tienne même à hautes fréquences. Les champs magnétiques peuvent avoir des incidences sur les circuits électroniques, donc sur la mesure, la machine, etc. La fixation magnétique est bien souvent utilisée quand on ne peut pas faire autrement. Parce qu’il s’agit de l’un des types d’interfaces de montage offrant une bande passante la plus faible.

Échanges thermiques par conduction ou rayonnement

Tous les capteurs sont caractérisés pour des températures stables, par palier. Mais dans un environnement dynamique, avec des températures différentes ou un point chaud sur la structure, un gradient thermique peut apparaître entre les composants du capteur. Le choix de la construction du capteur et de sa technologie est alors important pour limiter, ou non, l’impact des variations de température : un montage en cisaillement est plus isolé en conduction thermique, un capteur capacitif est plus stable, un capteur MEMS descend jusqu’à -269 °C. Pour la surveillance d’une machine, les problèmes liés à la température sur la précision de mesure, tels que l’effet triboélectrique, auront moins d’importance sur le choix du capteur que pour une mesure. Dans ce cas-là, PCB Piezotronics offre des capteurs intégrant le cristal UHT-12 présentant une très grande stabilité comparée à celle d’autres technologies.

Une fois l’essai terminé, il faut passer au démontage du capteur. Les bonnes pratiques sont, ici, de déterminer les moyens les mieux adaptés, afin de préserver les propriétés mécaniques du capteur ou les propriétés nécessaires à la mesure.

Démontage d’un système vissé

Il est interdit d’utiliser un gros tournevis ou le bras de levier le plus long d’une clé Allen pour dévisser un capteur, même s’il est difficile d’accès, au risque de générer, par exemple, un signal équivalent à 11 000 g dans le cas d’un accéléromètre, au-delà de la limite de son axe en butée mécanique. Le couple de desserrage peut être différent de celui de serrage.

Démontage d’un système collé

PCB Piezotronics recommande d’appliquer un peu de dissolvant. Selon la colle utilisée – l’acétone est aujourd’hui un produit souvent interdit – , avec un tissu pour affaiblir le collage et de toujours travailler en cisaillement, en appliquant une torsion sur la colle – elle est bien moins résistante en cisaillement que dans l’axe perpendiculaire au plan de collage. Pour cela, un accessoire spécifique est livré avec chaque capteur. Au lieu d’utiliser un maillet, une clé à mollettes ou tous autres types de clés métalliques, qui risque de mater ou de griffer la capteur et de dégrader la qualité du traitement de surface. Une fois le capteur démonté, vous pouvez le nettoyer très facilement. Dans les cas où le montage d’un capteur vissé est interdit ou impossible, une bande adhésive Kapton permet de traiter séparément le montage du capteur, et son démontage.

CONCLUSION

Les bonnes pratiques d’installation des accéléromètres et leur démontage corrects sont essentielles. Elles sont essentielles pour garantir des mesures précises et éviter les dommages. En suivant les pratiques recommandées par PCB Piezotronics, vous assurez une meilleure longévité de vos capteurs et des résultats fiables. Que ce soit pour le vissage, le collage ou la manipulation des capteurs, chaque étape compte. Cela permet une optimisation des systèmes de mesure toujours plus précise .

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